Kapitel 2 Satellitenbilder

Kapitel 2

Satellitenbilder

2.1 Grundprinzip

[a] Satellitenbilder basieren auf der Messung der von Sonne, Erde und Atmosph¨are emittierten elektromagnetischen Strahlung. Je w¨armer die Strahlungquelle desto h¨oher ist die Intensit¨at der emittierten Strahlung (Gesetz von Stefan-Boltzmann f¨ur die Strahlung von schwarzen K¨orpern).

Dieser Zusammenhang zwischen Temperatur und Strahlungsintensit¨at bildet die Basis f¨ur die Fernerkundung der Atmosph¨are mit Hilfe von Satelliten.

Aufgabe: Wie lautet das Gesetz von Stefan-Boltzmann? Welches andere wichtige Gesetz ist bei Schwarzk¨orperstrahlung anwendbar?

Fig.1 Beobachtete IR-Strahlung, die in den Weltraum abgestrahlt wird (Messung des Nimbus-4 Satelliten). Gestrichelt sind einige Spektren von Schwarzen Strahlern bei un- terschiedlicher Temperatur eingezeichnet. Atmosph¨arische Absorber f¨uhren dazu, dass die ausgehende Strahlung in unterschiedlichen Wellenl¨angenbereichen von verschiedenen H¨ohen stammen. Damit wird auch die effektive Temperatur des Erdspektrums von der Wellenl¨ange abh¨angig. [entnommen aus

” Chemistry of Atmospheres“, R. P. Wayne]

Aufgabe: Versuche abzusch¨atzen, aus welchen H¨ohen die einzelnen Bereiche des Spektrums abgestrahlt werden? Versuche die L¨ucken im IR-Spektrum einzelnen atmosph¨arischen Absorber zuzuweisen.

[b] Die folgende Abbildung zeigt den Wellenl¨angenbereich der elektromagnetischen Strahlung

vom Ultraviolett UV (λ = 0.2 µm) bis zu den Mikrowellen (λ = 100 µm) mit den Spek-

tren der Sonnen- und der Erdstrahlung (engl. “solar” and “terrestrial radiation”). Gem¨ass

dem Wien’schen Verschiebungsgesetz emittiert die Sonne mit einer Emissionstemperatur von

∼6000 K bei deutlich kleineren Wellenl¨angen (Max. bei 0 .5 µm im sichtbaren Bereich) als die Erde (Max. bei 11 µm im Infrarot).

Fig.2: Wellenl¨angen der verschiedenen Strahlungstypen und die f¨ur die Satellitenbilder verwendenten Kan¨ale.

[c] Im Gegensatz zu Feststoffen und Fl¨ussigkeiten k¨onnen Gase nur bedingt als schwarze K¨orper betrachtet werden. Sie weichen von Schwarzk¨orperstrahlung bei charakteristische Wellenl¨angen ab, bei denen sie elektromagnetischen Strahlung absorbieren und emittieren. In den f¨ur die Meteorologie wichtigen Wellenl¨angenbereichen (sichtbarer Bereich VIS und Infrarot IR) sind Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon die haupts¨achlichen absorbierenden Gase. Die wich- tigsten Typen von Satellitenbildern entstehen durch Strahlungsmessungen entweder in einem sogenannten “Fenster” (d.h. in einem Wellenl¨angenbereich, in dem die Atmosph¨are transparent ist, z.B. VIS und IR) oder aber gerade in einem der Absorptionsb¨ander, z.B. WV).

Fig.3: Absorption der Strahlung durch atmosph¨arische Gase bei verschiedenen Wel-

lenl¨angen. VIS und IR Bilder entstehen in atmosph¨arischen “Fenstern” (W) und WV

Bilder in einem der Absorptionsb¨ander von Wasserdampf.

2.2 Typen von meteorologischen Satelliten

[a] “Polar-orbiting” Satelliten kreisen etwa in einer H¨ohe von 850 km in einer fixen Bahn

¨ uber die Pole, w¨ahrend sich die Erde unter ihnen dreht. Die jeweils sichtbaren Streifen der Erdoberfl¨ache haben eine Breite von ∼2600 km. Mit 14 Erduml¨aufen pro Tag kann die ganze Erdoberfl¨ache in 24 Stunden zwei Mal aufgenommen werden.

Fig.4: Benachbarte B¨ander der Erdoberfl¨ache wie sie von einem “polar-orbiting” Satelliten bei zwei aufeinanderfolgenden Uml¨aufen gese- hen werden.

[b] Geostation¨ are Satelliten kreisen ¨uber dem ¨ Aquator um die Erde, in einer H¨ohe von ca. 35’800 km. Der grosse Vorteil dieser Satelliten liegt darin, dass mit einer zeitlichen Aufl¨osung von etwa 30 Minuten das selbe Gebiet erfasst werden kann. Wegen ihrer grossen Distanz zur Erde haben sie daf¨ur eine deutlich schlechtere Aufl¨osung als die “polar-orbiting” Satelliten.

Zudem ist die brauchbare Information auf den Bereich zwischen 70

N und 70

S beschr¨ankt.

Aufgabe: Mache Dir klar, wie man auf die H¨ohe von 35’800 km kommt? Warum befinden sich Startbasen f¨ur geostation¨are Satelliten immer in ¨ Aquatorn¨ahe?

Fig.5: Die Position von geostation¨aren Satelliten bez¨uglich der Erde.

[c] Im Moment sind 5 geostation¨are Satelliten operationell im Einsatz (darunter der ME- TEOSAT ¨uber Europa und zwei GOES Satelliten ¨uber dem westlichen und ¨ostlichen Teil der USA. Die Bilder vom METEOSAT haben bei 50

N eine horizontale Aufl¨osung von 4 km (VIS) bzw. 8 km (IR und WV). Im Gegensatz dazu ist die horizontale Aufl¨osung beim “polar-orbiting”

Satelliten der NOAA mit 1 km deutlich h¨oher.

2.3 Die 3 gebr¨ auchlichsten Typen von Satellitenbildern

VIS Visible 0.4 < λ < 1.1 µ m von der Erde/Atmosph¨are reflektiertes Sonnenlicht

IR Infrarot 10 < λ < 12 µm von Erde und Atmosph¨are emittierte Strahlung

WV Wasserdampf 6 < λ < 7 µm Emissionsstrahlung des Wasserdampfs

[a] Visible: Die Intensit¨at ist abh¨angig von der Albedo (Reflektivit¨at) der darunterliegenden Erdoberfl¨ache bzw. Wolke. Hohe Intensit¨aten (d.h. stark reflektierende Fl¨achen) werden weiss dargestellt, tiefe Intensit¨aten schwarz. Typische Albedo-Werte sind:

Meer, Seen 8%

Ackerland 14%

Vegetation 18%

W¨uste 27%

Meereseis 35%

Schnee 60-80%

d¨unne Wolken mit tiefem Wolkenwassergehalt 30-40%

dicke Wolken mit hohem Wolkenwassergehalt 65-90%

Daraus wird ersichtlich, dass sich die hellen Wolken im Allgemeinen vom dunklen Erdboden unterscheiden, sie aber im VIS Bild nicht immer eindeutig von Eis bzw. Schnee getrennt werden k¨onnen. In wolkenfreien Gegenden k¨onnen auch deutlich Wasser- und Landfl¨achen unterschie- den werden. In der Nacht k¨onnen keine VIS Bilder aufgenommen werden und in den Morgen- und Abendstunden werfen die einzelnen Wolkenschichten oft einen deutliche sichtbaren Schat- ten, was den VIS Bildern eine gewisse Plastizit¨at verleiht.

Fig.6: VIS Bild eines Tiefdruckgebietes, 1455 UTC 1 August 1986.

Die Abbildung zeigt dunkel die Europa umgebenden Meere sowie einige Seen in der Schweiz (H), deutliche Helligkeitsunterschiede ¨uber Spanien (S) durch unterschiedlich starke Vegetati- on, dicke Wolkenschichten verbunden mit den Frontstrukturen ¨uber den Britischen Inseln (E) sowie d¨unne aufgelockerte Bew¨olkung ¨uber dem Mittelmeer (U). Das letzte Beispiel zeigt, dass kleine und d¨unne Wolken im VIS Bild oft nur schwer erkennbar sind.

[b] Infrarot: IR Bilder zeigen die Temperatur der abstrahlenden Oberfl¨achen. Warme Regionen (d.h. hohen Intensit¨aten) werden schwarz dargestellt, k¨altere Regionen (d.h. tiefe Intensit¨aten) weiss. Wolken (speziell hochreichende Wolken) erscheinen hell gem¨ass den tiefen Temperaturen an ihrer Oberseite. Deshalb zeigen IR Bilder im Gegensatz zu VIS Bildern einen guten Kon- trast zwischen hohen und tiefen Wolken. Die verschieden hohen Wolkenschichten der Zyklone (L) sind in der Abbildung gut sichtbar. Die d¨unnen Wolken im Mittelmeergebiet sind im IR Bild deutlich sichtbar. Offensichtlich handelt es sich um hohe Zirrusbew¨olkung. Im Gegensatz dazu sind tiefe Wolken und Nebel im IR Bild kaum sichtbar, da sich ihre Temperatur vom umgebenden Land/Wasser oft nur unwesentlich unterscheidet. Der Kontrast zwischen Land und Wasser im IR Bild unterliegt t¨aglichen und saisonalen Schwankungen. In der Nacht kann das warme Meereswasser dunkler erscheinen als die stark abk¨uhlende Landoberfl¨ache. Am Tag, speziell im Sommer, sind die Verh¨altnisse meist umgekehrt.

Fig.7: IR Bild eines Tiefdruckgebietes, 1455 UTC 1 August 1986.

Aufgabe: Vergleiche das IR Bild mit dem VIS Bild. Welche Strukturen sind klarer im VIS und welche klarer im IR Bild?

Schwierigkeiten bei der Interpretation k¨onnen im Falle von d¨unnen, kleinen Wolken auftreten,

oder bei sehr feuchter Luft (z.B. in den Tropen). Bei d¨unnen und kleinen Wolken kann eventuel

Strahlung der darunterliegenden Erdoberfl¨ache zum Satelliten gelangen, so dass die Wolken

f¨alschlicherweise zu warm und damit zu tief erscheinen. In der sehr feuchten (aber wolkenfrei-

en) Luft in den Tropen kann die Strahlung vom warmen Erdboden durch Absorption der H

O

Molek¨ule so stark reduziert werden, dass das wolkenfreie Gebiet grau (k¨uhl) anstatt schwarz

(heiss) erscheint.

Aufgabe: Animierte Satellitenbilder k¨onnen auch verwendet werden, um Windgeschwindigkei- ten abzusch¨atzen? Wie funktioniert das? Welche Probleme treten auf? Eine solche satelliten- basierte Windbestimmung verbessert die Wettervorhersage auf der Nordhemisp¨are nur unwe- sentlich. Auf der S¨udhemisph¨are hingegegen brachte die Einf¨uhrung von Satellitenmessungen eine signifikante Verbesserung der Vorhersage. Warum?

[c] Wasserdampf: WV Bilder entstehen durch Strahlungsmessung in einem der Absorpti- onsb¨ander von Wasserdampf. Dabei stammt die Strahlung, welche vom Satelliten gemessen wird, von der obersten stark feuchten Schicht in der Atmosph¨are. Im Falle von feuchter Luft in der oberen Troposph¨are werden wegen den tiefen Temperaturen tiefe Intensit¨aten gemes- sen. Diese werden wie im IR Bild weiss dargestellt. Ist die obere Troposph¨are sehr trocken, so stammt die gemessene Strahlung von der unteren Troposph¨are (oder vom Erdboden). In diesem Fall werden hohe Intensit¨aten gemessen, welche schwarz dargestellt werden. WV Bilder sind also besonders n¨utzlich, um die Feuchteverh¨altnisse in der oberen Troposph¨are (300-600 hPa) abzusch¨atzen. Beachte, dass auch in einer ganz “trockenen” Region in einem WV Bild feuchte Luft in Bodenn¨ahe vorhanden sein kann.

Fig.8: METEOSAT Bilder um 1155 UTC 9 Februar 1988: IR (oben links), WV (oben rechts) und VIS (unten).

Da Wasserdampf als passiver Tracer der atmosph¨arischen Str¨omung aufgefasst werden kann, zei-

gen WV Bilder (insbesondere eine Animation von WV Bildern) oft eindr¨ucklich die Str¨omungs-

verh¨altnisse in der mittleren und oberen Troposph¨are. Deutlich erkennbar sind Wirbel in der

Tropopausengegend (durch spiralf¨ormige Muster), absinkende Luftmassen (als dunkle B¨ander)

und Jet Streams (durch einen scharfen Feuchtekontrast, mit trockener Luft auf der zum Pol

gerichteten Seite).

[d] Die folgenden Abbildungen zeigen IR und WV Bilder f¨ur den 4.Januar 2005, 12 UTC.

Fig.9: WV und IR Satellitenaufnahmen f¨ur den 4. Januar 2005, 12 UTC.

Aufgabe: Welches Bild entspricht dem WV und welches dem IR-Kanal? Wo befinden sich Wolken? Wo beobachtet man trockene Luft in Tropopausenh¨ohe?

In den folgenden zwei Abbildungen ist das Geopotential auf 250 hPa und 500 hPa gezeichnet, wie es vom ECMWF (European Centre for Medium RangeWeather Forecasting) analysiert wurde.

9600 9600

9900 9900

9900

9900 9900

10200

10200 10200

10200 10500

10500

10500

10500

10800 GM

4950 4950

5100

5100

5250 5250

5250 5250

5400

5400

5400 5550 5400

5550

5550

5550 5700

5700

5700

5700 GM

GM GM

Fig.10: Geopotential und relative Luftfeuchtigkeit f¨ur den 4. Januar 2005, 12 UTC. Die

Felder stammen von der operationallen Analyse des ECMWF (European Centre for Me-

dium Range Weather Forecasts [http://www.ecmwf.int].

Aufgabe: Ordne den Bilder die korrekte Bezeichnung zu (Z@250 hPa, Z@500 hPa). Bringe die Satellitenbilder mit den Analysen des ECMWF in Zusammenhang. Wo herrschen gem¨ass diesen Analysen starke Winde? Wie steht es mit der Windrichtung?

2.4 Anwendungsbeispiele f¨ ur Satellitenbeobachtungen

[a] In diesem Kapitel sind vor allem die Kan¨ale VIS, IR und WV der Satellitenfernerkundung zur Sprache gekommen. Eine zentrale Anwendung dieser Beobachtungen ist die Wettervor- hersage. F¨ur eine globale Wettervorhersage m¨ussen m¨oglichst viele Beobachtungen beigezogen werden. Zum Beispiel ist es mit Satelliten m¨oglich vertikale Temperaturprofile zu bestimmen.

Das ist insbesondere in der S¨udhemisph¨are wertvoll, wo wenig Radiosondierungen durchgef¨uhrt werden. In der Nordhemisph¨are ist der Gewinn durch die Satelliten geringer, da die bessere Ab- deckung durch Radiosondierungen gen¨ugend Daten liefert. Die folgende Abbildung vergleicht die geographische Abdeckung mit Satelliten mit derjenigen von

” konventionellen“ Beobachtun- gen.

Fig.11: Oben: Geographische Abdeckung durch Satellitenbeobachtungen (links: GOES-W, GOES-E, MET-7, MET-5, GMS (GOES-9), rechts: NOAA-15, NOAA-16, NOAA-17.

Unten: SYNOP/SHIP-Bodenbeobachtungen (links) und TEMP (Radiosondierungen) [ent- nommen von der www.ecmf.int].

Aufgabe: Die obigen Bilder zeigen die geographische Abdeckung von Satelliten mit geostati- on¨aren und polaren Orbits. Ordne sie korrekt dem Orbittyp zu.

[b] Die folgende Abbildung zeigt eine Anwendung von Satellitenmessungen, die nicht unmit-

telbar in die Wettervorhersage einfliesst. Dargestellt ist die j¨ahrliche mittlere Wolkenbedeckung.

Fig.12: Mittlere j¨ahrliche prozentuale Wolkenbedeckung (bestimmt aus Satellitendaten des International Satellite Cloud Climatology Project [ISCCP, Rossow und Schiffer (1991)].

(a) Wolken mit oberem Rand h¨oher als 440 mbar, (b) Wolken mit oberem Rand unter 680 mbar, (c) alle Wolken. In (a) und (b) ist das Konturintervall 5%. Werte ¨uber 30%

sind leicht schattiert, Werte ¨uber 50% stark schattiert. In (c) betr¨agt das Konturintervall ebenfalls 5%, aber leichte Schattierung kennzeichnet Region mit mehr als 50% Wolken- bedeckung und starke Schattierung mit mehr als 80% Wolkenbedeckung [entnommen aus

” Global Physical Climatology“, D.L. Hartmann].

Hohe Wolken sind besonders in den konvektiven Zonen ¨uber dem ¨aquatorialen S¨udamerika und Afrika zu finden. Ein weiteres Maximum an hochreichenden Wolken befindet sich ¨uber Indonesien und den umliegenden Gebieten. Tiefe Wolken beobachet man vor allem in den sub- tropischen ¨ostlichen R¨andern der Ozeanbecken und in den mittleren Breiten. Die Maxima in den subtropischen Ozeanen sind bedingt durch unterdurchschnittlich tiefe Temperaturen der Meeresoberfl¨ache (SST=Sea Surface Temperature). Dies f¨uhrt zur Aussbildung von Stratocu- mulusbew¨olkung, die unter einer Inversion

” gefangen“ ist. Tiefe Wolken sind insbesondere ¨uber

den Ozeanen beobachtbar und weniger ¨uber Festland. Betrachtet man die totale Wolkenbe-

deckung, findet man wiederum eine Konzentration der Maxima ¨uber den Ozeanen. Gr¨osste

totale Wolkenbedeckungsgrade findet man in den mittleren Breiten. Minima befinden sich ¨uber den Subtropen und ¨uber W¨ustengebieten.

[c] Satellitenbilder sind sehr hilfreich, um die Entstehung, Intensivierung und den Zerfall von Tiefdruckgebieten zu erkennen und zu verfolgen. Es wurden verschiedene Versuche unternom- men, Tiefdruckgebiete anhand ihrer Strukturen in Satellitenbildern zu klassifizieren und typi- sche Lebenszyklen zu identifizieren. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel: die Entstehung der Zyklone ist im IR oder VIS Bild als

” leaf cloud“ zu sehen, die meist parallel zu einer intensiven baroklinen Zone oder Kaltfront liegt.

Fig.13: Wolkenstrukturen, die im Lebenszyklus eines extratropischen Tiefdrucksystems auftreten k¨onnen.

Wenn sich das Tiefdruckgebiet intensiviert, wird aus der

” leaf“ eine

” comma cloud“ mit einem erkennbaren

” cloud head“ westlich des Tiefdruckzentrums. Im Stadium der maximalen Inten- sit¨at der Zyklone verformt sich der

” cloud head“ zu einer spiralf¨ormigen Struktur mit einem wolkenfreien

” dry slot“, der sich zwischen dem

” cloud head“ und dem kaltfrontalen Wolken- band befindet. Im zerfallenden Stadium l¨ost sich die Wolkenformation auf und oft bleibt eine spiralf¨ormige Struktur zur¨uck, w¨ahrend sich das kaltfrontale Band weiter nach Osten verschiebt.

Diese schematische Darstellung ist nur eine von vielen sogenannten

” conceptual models“, wie sie vor allem von operationellen Leuten bei den Wetterdiensten oft benutzt werden. Die Variabilit¨at der Lebenszyklen von Tiefdruckgebieten ist jedoch zu gross, um sie mit wenigen schematischen Illustrationen erfassen zu k¨onnen.

Aufgabe: Suche im Internet nach Satellitenaufnahmen von Zyklonen. Versuche anhand dieser Momentaufnahmen der Zyklonen den Entwicklungszustand den obigen vier Phasen zuzuord- nen. Versuche aber nicht die Satellitenbilderbilder zu

” zwanghaft“ in das konzeptionelle Schema

einzuordnen!

2.5 Literaturhinweise

1. Dundee Sateliite Receiving Station: Viele hochaufgel¨oste Satellitenbilder k¨onnen im Internet betrachtet werden. Ein umfangreiches Archiv wird von der Empfangsstation Dundee zur Verf¨ugung gestellt. Besuche die Internetseite http://www.sat.dundee.ac.uk und studiere einige der Aufnahmen. Die Seite enth¨alt ausserdem weitere Informationen zu den verschiedenen Satelliten.

2. The Physics of Atmospheres, John Houghton: Dieses Buch enth¨alt ein kurzes Ka- pitel zur Satellitenbeobachtung.

3. ECMWF: Auf der Webseite des Europ¨aischen Zentrums f¨ur mittelfristige Wettervorher-

sage (www.ecmf.int) findet man mehrere Artikel, die den Einsatz von Satellitenbeobach-

tungen (unter anderem) in der Datenassimilation und Wettervorhersage beschreiben.